小庄煤矿液态二氧化碳驱替技术研究与应用

煤层瓦斯抽采效率不足是高瓦斯及突出矿井采掘接续困难和瓦斯事故频发的主要原因,为了提高煤层采前瓦斯预抽效率,降低矿井瓦斯灾害治理成本,基于液态二氧化碳对煤层进行低温致裂增透和对煤层瓦斯进行相变交换置换驱替的两方面影响,针对彬长小庄煤矿低透气性、瓦斯难以抽采的问题,以40205工作面为研究对象,通过对其进行液态二氧化碳驱替煤层气技术深入分析和工程应用,分析了现场抽采效果。现场应用表明,驱替后的钻孔内瓦斯浓度平均增加1.425倍,纯量平均增加1.33倍,瓦斯抽采效率明显提升。该结果初步证实了液态二氧化碳驱替技术的适用性,为煤矿瓦斯抽采提供了一定的技术支撑。     

二氧化碳驱替煤层甲烷过程竞争吸附的耦合数值模拟

研究二氧化碳驱替煤层甲烷的竞争吸附特性，对注二氧化碳提高煤层气采收率具有重要意义。基于达西渗流、菲克扩散和扩展朗格缪尔方程，建立了甲烷与二氧化碳在煤层中运移与置换解吸的耦合数学模型，数值模拟了不同二氧化碳注气压力以及注抽钻孔布置对提高煤层气采收率的影响。研究结果表明：在二氧化碳驱替甲烷的过程中，注气钻孔附近的煤层中会出现“甲烷富集区”,且随着注气时间的增加，“甲烷富集区”逐渐向排气钻孔移动，最终煤层中甲烷浓度分布趋于稳定，煤层中平均甲烷浓度约为原始甲烷浓度的56.5%;排气钻孔甲烷流量先衰减然后快速增大到峰值，再缓慢减小趋于一个稳定值；注抽钻孔间距对排气钻孔处甲烷浓度稳定后的流量没有影响，但对甲烷的流量峰值以及峰值出现的时间有显著影响。     

基于二氧化碳深孔致裂增透技术的低透煤层瓦斯治理

为解决低透气性煤层瓦斯抽采中存在长深钻孔抽采有效影响范围小、抽采效率低、抽采周期长等问题,在司马煤矿3号煤层1211工作面进行100 m深孔二氧化碳致裂强化增透的试验及应用,以提高煤层透气性,缩短瓦斯抽采周期。在未抽采及已抽采煤层中分别进行了100 m深孔致裂试验,采用示踪气体法,确定了煤层致裂增透钻孔间距为10 m。通过在1211工作面走向300 m范围内的煤层深孔致裂增透应用表明:利用二氧化碳深孔致裂能实现对3号煤层的高效渗透和瓦斯驱替,煤层瓦斯解吸量和瓦斯压力显著降低,在60 d内煤层瓦斯含量平均降低1.8 m~3/t,改善了低透气性高瓦斯煤层难以抽采的现状,显著缩短抽采周期。     

阜新煤田注二氧化碳提高煤层甲烷的研究

针对阜新煤田煤储层的地质特征,选取了刘家煤层气勘探区和东梁矿2个地点,开展了注二氧化碳置换煤层甲烷的试验模拟研究.试验结果表明,二氧化碳的吸附能高于甲烷的吸附能,它可以将甲烷从煤的微表面置换出来,从而提高煤层甲烷的采出率.在置换过程中总是吸附能力弱的甲烷首先解吸,而吸附能力强的二氧化碳最后解吸,而且较高压力下的置换效果总比低压下的好.与东梁矿煤样相比,刘家煤样具有较强的吸附能力和较高的单位压降下的解吸率,但置换效率相差不大,主要原因是二者的二氧化碳对甲烷分离因子差别较小.注气试验时应该充分考虑注入压力点和气体注入量才能保证满意的置换效果.     

我国低渗煤层井下注气驱替增流抽采瓦斯技术进展及前景展望

我国大部分矿区煤层渗透率较低，注气驱替增流抽采瓦斯技术是提高低渗煤层瓦斯抽采效率的有效方法之一。分类梳理了我国低渗煤层瓦斯赋存特征，总结概括出高资源储量、低含气饱和度、多储层压力并存、低渗透性和复杂分区性5个特点。利用差异置信法、灰色关联法、置信区间计算法，分析了我国煤层瓦斯对井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的适用性，获得6个影响注气驱替瓦斯效果的直接因素，影响度依次为：煤体普氏系数>瓦斯压力>渗透率>灰分>瓦斯含量>朗格缪尔压力常数；建立了适用于井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的煤层参数筛选评价方法。根据注气驱替煤体瓦斯增流机制的不同，从气体因素、注能改性两方面厘清了注气驱替煤体瓦斯增流机制，气体因素增流机制包括：充能携载、分压促解、稀释促扩散、竞争吸附；注能改性增流机制包括：充能扩孔、促解扩孔、充能拓孔、脉冲气流损伤孔隙结构/展布裂隙网络。总结了注气驱替气源、工艺参数对瓦斯驱替效果的影响规律，简要介绍了井下注气驱替增流抽采瓦斯关键技术与装备、应用模式及应用效果。展望了我国井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的未来发展趋势，具体包括：多学科深化注气驱替增流抽采瓦斯理论、...     

煤层非稳态法气和水相对渗透率实验研究

以沁水盆地南部某区块煤样为实验对象,利用非稳态法测定气驱水和水驱气情况下气和水的相对渗透率。结果表明:水驱气实验中,经过不同驱替压力、不同气体的水驱气相对渗透率实验后,煤样的束缚水饱和度在每次实验后均发生不同程度的变化。气的相对渗透率均小于水的相对渗透率。分析为煤样在高压吸附气体作用下变得更加具有亲水性,如甲烷、二氧化碳。但对于非吸附气体氦气,高压反而阻止了水渗流至小空隙,导致束缚水饱和度的下降。气驱水实验中:测定并计算得到的数据相对分散,不具有一定的规律,气和水相对渗透率曲线波动大。研究认为煤层中气和水的相对渗透率取决于煤层中气体的性质、煤层内压力以及各相流体与煤层的相互作用。     

注气驱替煤层瓦斯时效特性影响因素分析

为了分析注气驱替煤层瓦斯时效特性的影响因素,建立了注N2驱替煤层瓦斯的数学模型,采用COMSOL Multiphysics软件模拟了注气压力、抽采负压和注气时间对注气驱替煤层瓦斯时效特性的影响,研究了不同条件下煤层瓦斯含量和消突周期的变化规律,结果表明:注气压力越大,瓦斯含量下降越快,消突周期越短,合理的注气压力为0.5 MPa;抽采负压对其时效特性的影响不大,合理的抽采负压为5～13 kPa;煤层瓦斯含量随着注气时间的增加逐渐下降,注气孔附近为注气驱替煤层瓦斯的薄弱区域.在石港公司进行注气驱替煤层瓦斯现场试验,通过与数值模拟结果的对比得出:在相同的条件下,实测的瓦斯含量总是略小于模拟结果,并对造成这种差异性的原因进行了分析.     

二氧化碳驱替煤层瓦斯研究现状与发展

二氧化碳是主要的温室效应气体,二氧化碳煤层地质处置具有废物处置和置换瓦斯的双重效益。研究结果表明:煤体属于孔隙、裂隙发育的双重介质,为二氧化碳煤层地质储存提供了物理基础;同时,在相同外部边界条件下,煤对二氧化碳的吸附量是瓦斯的2倍~8倍,二者在煤层中存在竞争吸附,因此,用二氧化碳驱替煤层瓦斯理论上是可行的。但是,由于煤体的渗透性和吸附性均与温度、压力等外部条件密切相关,必须进行大煤样试件对瓦斯、二氧化碳气体的渗透性、吸附性研究,才能为二氧化碳煤层地质处置、驱替瓦斯提供可行性依据。     

二氧化碳/甲烷/氮气条件下煤样的初始释放瓦斯膨胀能研究

对同一个煤样分别充入不同压力的二氧化碳/甲烷/氮气进行初始释放瓦斯膨胀能测定试验,研究二氧化碳/甲烷/氮气条件下煤样的初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的关系,并分析二氧化碳/甲烷/氮气条件下的煤层突出危险性。结果表明:对于同种气体,煤样的初始释放瓦斯膨胀能与吸附平衡压力均成正相关关系,吸附平衡压力越大,煤样的初始释放瓦斯膨胀能越大,煤层突出危险性越大;对于不同气体,在吸附平衡压力相等的情况下,充二氧化碳的煤样具有较大的初始释放瓦斯膨胀能,突出危险性较大,充甲烷的次之,充氮气的最小。这一结论可以为解释煤矿现场突出和实验室突出模拟过程中的一些现象提供重要的依据。     

低渗透煤层注水驱替促抽治理瓦斯技术

为解决单一低渗透煤层存在瓦斯抽采技术难度大、抽采成本高等问题,以夏店煤矿3116工作面低渗透3^#煤层瓦斯抽采为工程背景,研究提出了高压注水驱替促抽治理瓦斯技术。钻孔采用注-抽钻孔间隔布置,利用高压水对煤层瓦斯的驱替作用和水对瓦斯的置换解吸作用,达到提高相邻抽采孔的瓦斯浓度和瓦斯流量的目的。     

韦二煤矿煤储层物性特征及煤层气资源前景

依据韦州矿区煤炭勘探煤层资料、煤层气参数井获取的储层资料,通过对煤层气开发地质信息的有效提取,对韦二煤矿煤储层物性进行深入分析、研究,对煤层气资源量进行了计算,并采用数模方法预测了煤层气抽采率,确定了地面煤层气抽采相对有利区。研究认为:区内煤层含气性整体偏低,煤层甲烷含量在0.20～11.73 m³/t,气含量高值区仅出现在部分煤层、局部区域。多期次构造运动致使裂隙发育复杂化,硬度变小,煤体结构多为碎粒—糜棱结构,渗透率降低。主要可采煤层煤层气资源量为5.55×10⁸ m³,资源丰度为1.51×10⁸ m³/km²,属中等丰度、小型煤层气藏。各煤层煤层气采收率较低,约为15%,可采潜力较差。资源量在煤层分布上相对集中,12、14、15煤层气含量4 m³/t以上重叠区域为煤层气地面抽采相对有利区块。     

顺层瓦斯抽采钻孔周围煤体卸压范围和应力分布

为了研究顺层瓦斯抽采钻孔周围煤体卸压范围和应力分布,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,理论分析了顺层钻孔煤体破坏机理,在钻孔周围形成了弹性变形区、塑性软化区和卸压破裂区以及分析了顺层钻孔煤体应力分布和位移方程;数值模拟了不同孔径下钻孔卸压范围和应力分布,得到了顺层钻孔卸压范围随孔径变化函数关系。     

裂隙煤岩各向异性渗透率模型和煤层注气THM耦合行为

CO2煤层地质封存可以减少温室气体排放,同时可提高煤层气的采收率。注气开采过程涉及到温度场(T),多相多成分流场(H)和应力场(M)之间的相互耦合。煤层割理裂隙渗透率是影响CO2地质封存和煤层气开采率的重要参数。煤岩渗透性的关键性因素裂隙张开度同时受控于法向应力和剪胀效应。考虑基质和割理的共同作用,提出基于组合裂隙三向平板简化的各向异性渗透率模型。在此基础上,建立了注入CO2提高煤层气采收率的三维数值模型并利用耦合软件TOUGH-FLAC进行求解。模拟结果表明,气体注进采出的孔压作用会引起煤层膨胀或收缩。与孔压,吸附应力/应变以及温度相比,剪胀对裂隙渗透率的影响不明显。在注采过程中,渗透率表现出明显的各向异性,注入井附近的异向渗透率甚至可达30倍差异。此外,注气初期应适当控压,井口附近的高压损伤将带来不必要的裂隙气体泄漏,导致注气失败。     

小屯煤矿近距离突出煤层群联合抽采瓦斯溯源研究

为了识别煤层群联合抽采混合气体瓦斯来源、确定各煤层瓦斯抽采占比,以小屯煤矿6_上、6_中及6_下煤层联合抽采瓦斯为研究背景,以碳同位素法和分层计量法为研究手段,分析各煤层瓦斯组分及碳同位素特征,识别混合气体瓦斯来源,确定各煤层瓦斯抽采占比。结果表明:小屯煤矿各个煤层瓦斯组分含量和碳同位素值存在差异性;建立了煤层群联合抽采瓦斯混源比例计算模型,碳同位素法确定混合气体中6_上煤层占10.82%~24.54%,6_中煤层占57.81%~69.58%,6_下煤层占5.88%~31.37%;分层计量法确定混合气体中6_上煤层占12.98%~19.55%,6_中煤层占55.28%~60.55%,6_下煤层占25.17%~26.47%。2种计算方法均证实了6_中煤层的混合比例最大,占据主导地位。研究结果表明,基于同位素进行煤层群联合抽采瓦斯混源比例的计算是科学准确的,为煤层群瓦斯联合抽采达标评判提供新的研究思路。     

水力喷砂射孔拖动压裂在煤层气开发中的应用

针对多煤层、薄煤层的煤层气井,压裂工作量较大,开展了水力喷砂射孔拖动压裂技术的实践应用。从工艺流程及原理、工具组合、具体施工步骤等方面论述了水力喷砂射孔拖动压裂技术的具体应用方式,认为该技术在压裂过程中都是通过压裂层段下封封隔器与下面已压裂完成的煤层分隔,可以实现压裂施工互不影响的目的,并选取左权ZYHY-07煤层气井进行实践验证。结果表明,喷砂射孔拖动压裂技术在多煤层、薄煤层的煤层气井有很强的适用性,可以大大提高工作效率并降低施工成本。     

超临界CO_2驱替煤层CH_4装置及试验研究

自主研发了MCQ-Ⅱ型大试件(100mm×100mm×200mm)超临界CO2驱替煤层CH4试验装置,该装置不仅能够保障试验过程中CO2始终处于超临界状态,而且可测量煤体吸附过程中的体积膨胀。借助本装置对同一温度不同体积应力条件下的超临界CO2的渗透性及其驱替CH4效果进行了试验研究。试验结果表明:在50℃、恒定体积应力为48~60MPa条件下,超临界CO2的渗透率与注入渗透压呈正相关关系,与体积应力呈负相关关系。超临界CO2在煤体中的渗透特性远远高于其在常态条件下的渗透性。试验同时发现,超临界CO2在煤体中的吸附量与孔隙压力及体积应力均呈正相关,在48和60MPa的体积应力下,单位体积的煤体分别可累计吸附10.82~17.52体积和16.12~20.40体积的CO2;试验还测得了不同条件下煤体吸附CH4、超临界CO2及超临界CO2驱替煤体CH4过程中,煤体体积膨胀百分比。在超临界CO2驱替CH4试验中,2号焦煤煤样试件中注入气体体积(包括CH4,CO2)均小于1号弱黏煤煤样,但是两煤样中的CO2/CH4置换比及CO2最终储存率相当,分别为4.01/4.16,20.05%/20.09%。     

深煤层煤层气开发有效途径展望

我国深煤层煤层气资源量巨大,埋深在1000～2000m的煤层气资源量占2000m以浅资源总量的61％。由于深煤层所具有的“高温、高地应力、高孔隙压力、低渗透率”特殊的地质条件和储层物性,与浅煤层相比,深煤层储层物性特征较差,目前我国煤层气开发主要集中在浅部,随着勘探工作的不断深入,对深部的勘探已大势所趋。但仍缺乏系统的研究成果;与浅煤层相比,特殊的地质条件使得适用于浅煤层煤层气的开发技术不能直接应用于深煤层煤层气开发。鉴于深煤层储层的独特特点,注CO2提高采收率增产技术、煤层气与煤系地层砂岩气共采技术将是提高深煤层煤层气井产气能力的有效途径。     

Gas emission under coal and gas outbursts

The paper considers the conditions of methane hydrate existence in coal seams. The authors estimate volumes of gas emission in a fractured coal layer upon a drop in gas pressure. The authors also give the assessment of outburst hazard of coal seam edge zone.